平均电流控制型Boost功率因数校正变换器中的中频振荡现象分析

　　1·引言

　　近年来,在大功率电力电子电路中已广泛地应用有源功率因数校正(APFC)变换器作为抑制谐波污染的有效手段,用于解决大功率电力电子电路对电网日益严重的谐波污染问题,使其满足已制定的谐波标准和规范.众所周知,APFC变换器除了其固有的二极管、开关器件等非线性环节外,其输入也是时变的.因此,与DC-DC变换器相比,它是一个更为复杂的强非线性系统,在其中必然会存在着丰富的复杂不稳定性现象.由于APFC变换器中存在着两种不同数量级的频率:即交流输入电压线频率和开关频率,所以现有文献[1—6]通常依此将APFC变换器中各种各样的复杂不稳定性现象分成两类,一类是发生在开关频率上的快尺度不稳定性现象(fast-scale instability),即发生在开关频率上的倍周期分岔现象[1—3];另一类是发生在线频率上的慢尺度不稳性现象(slow-scale instability),即发生在线频率上的倍周期分岔现象[4—6].已有研究结果表明[2—4],当系统发生快尺度不稳定现象时,它会增加开关管电流应力,严重时甚至会损坏开关管,导致系统无法正常工作;而当系统发生慢尺度不稳定现象时,则会使输入电流发生畸变,从而降低了系统的功率因数.因此,在实际工程中,总是期望能预测到这些不稳定现象的发生,并通过调整电路参数达到减少甚至避免其不利影响的目的.因此,深入地研究APFC变换器中的复杂非线性现象,具有重要的理论意义和工程应用价值.

　　由于中频振荡现象的主要表现特征是其振荡频率介于输入电压线频率和开关频率之间,所以是一种有别于快尺度不稳定和慢尺度不稳定的非线性现象.本文以平均电流控制型Boost PFC变换器为例,对其中的中频振荡现象进行了研究,并推导出了用于描述系统动力学行为的小信号模型.在此基础上,分析该中频振荡现象产生的内在物理机理,并给出系统发生中频振荡现象的参数边界.最后,通过电路实验来验证理论分析的结果.

　　2·电路描述与数值仿真

　　平均电流控制型Boost PFC变换器的电路原理如图1所示.该电路主要实现两个基本功能[6]:1)获得稳定的直流电压,实现功率变换的功能;2)保持高功率因数,实现功率因数校正功能,即实现交流侧电流与电压同相位,并且波形尽可能相一致.从图1可看出,其主电路是由Boost变换器组成,而控制电路主要包括电压误差放大器、乘法器和电流误差放大器(注意:在实际工程中,这部分电路通常由集成控制芯片UC3854来实现).其中,电压误差放大器的功能主要是保持系统输出电压基本恒定;乘法器的作用是提供一个与整流输入电压同相位的正弦半波信号,作为参考信号;而电流误差放大器的作用则是使整流输入电流始终跟踪参考电流,从而实现输入侧电流与输入电压同相位,达到功率因数校正的目的.